一种提高LTE基站用户资源利用率的方法

颜志凌，黄巧芸，王贻先

（武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北 武汉 430205）

1 引言

LTE（Long Term Evolution，长期演进）系统由EPC（Evolved Packet Core，演进分组核心网）和eNodeB（Evolved Node B，演进型基站）两个网元组成。相比现有3G，LTE基站集成了部分RNC的功能，减少了网络节点和系统复杂度，减少了通信时协议的层次，使网络架构更加扁平化简单化，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。

eNodeB协议架构分为控制面和用户面，控制面由三个协议层组成，分别为L1（PHY层，PhysicalLayer，物理层）、L2和L3（RRC层，Radio Resource Contral，无线资源控制）。其中L2又分为MAC（Media AccesssContol，媒体接入控制）、RLC（Radio Link Control，无线链路控制）以及PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）三个子层。

eNodeB各层之间相互独立，拥有各自的内存管理空间。当终端用户接入eNodeB时，各层分别为该用户创建对应的用户实例，并需要保持各层用户实例的一致性，即用户数量和各层用户对应的唯一标识要完全一致。当用户释放时，各层分别需要删除该用户对应的用户上下文，以保持用户实例的一致性。由于各层之间通过消息通信机制进行层间用户信息的传递，当出现消息通信异常或者层内用户处理异常时，会导致用户异常释放造成各层用户实例不一致的情况，从而导致资源挂死的问题。同时，eNodeB内存空间有限，若接入的用户终端长时间没有业务数据传输，会占用用户资源，影响其他用户的接入。因此，为了解决该问题，本文设计了用户一致性检测和状态检测两种方案，充分利用eNodeB各模块间的独立性，在不影响现有流程的情况下，进行冗余用户检测，释放由于各层用户实例不一致造成的冗余用户和长期没有业务传输的用户资源，以提高用户资源利用率，保证系统的正常运行。

2 用户释放流程

UE上下文释放过程包括释放控制面和用户面的S1连接，从基站中删除相应UE的上下文信息，并且UE从连接态回到空闲态。UE上下文释放的处理流程如图1所示。基站传输层收到核心网发出的UE上下文释放命令后，通知L3释放UE上下文。

L3收到释放请求后，向RRC层发送RRC连接释放请求，RRC收到请求后通知PDCP层进行RRC连接释放。

RRC收到PDCP的释放确认消息后，分别通知MAC、RLC、PDCP以及PHY各层删除相应UE的配置，并且告知传输层UE上下文释放完成。

3 检测方案

3.1 用户一致性检测方案

UMM是UE管理模块，用于UE行为和基本能力的统一管理，包括RRC连接管理、UE上下文管理、UE能力和状态检测等。UEID用于唯一标识UE，UE流程状态用于指示UE当前正在进行的流程状态，通过该状态判断对应UE是否处于稳态，即该UE当前有无流程进行，如切换、UE上下文释放等。因此，可通过层间消息获取各层维护的UE ID和对应流程状态，对处于稳态的UE进行一致性检测，设计方案如图2所示。

基站开工完成时，UMM启动一个周期性定时器，时长设置为X分钟，X越小，则越快启动一致性检测流程，越能及时发现并处理各层用户不一致的问题，但同时消耗的层间消息越多；X越大，则一致性检测流程启动越慢，发现并处理各层用户不一致的问题越不及时，但同时消耗的层间消息越少。如果X设置为0，则表示关闭用户一致性检测功能。

当周期定时器超时后，UMM向RRC发送用户查询请求MSG_UMM_UE_INFO_REQ，该消息中携带小区ID。如果存在多个已经建立的小区，则依次对多个小区的RRC层发起用户信息查询请求。

图1 UE上下文释放的处理流程

图2 用户一致性检测方案

RRC收到请求后依次向LX（PDCP/RLC/MAC/PHY）各层发起用户信息查询请求消息MSG_RRC_LX_UE_INFO_REQ。LX通过消息MSG_LX_RRC_UE_INFO_RSP（包含N个用户实例的UE ID和UE流程状态）响应RRC。RRC收到LX的响应后通过消息MSG_UMM_UE_INFO_RSP转发给UMM。

其中，N的取值范围是0～MAX_UE_NUM_CELL（小区所能容纳的最大UE数），如果LX层没有找到用户实例，也要通知RRC，此时N=0。

UMM收到响应后，根据上报结果进行用户实例一致性检测，并进行相应处理。

3.2 用户状态检测方案

对eNodeB来说，用户可分为RRC_CONNECTED连接态和RRC_IDLE空闲态两种状态，在RRC_CONNECTED的状态下，又可分成两种子状态，分别是Scheduled（又叫激活态，或者同步态），另一种是Non-Scheduled（又叫去激活态，或者失步态）。连接态eNodeB可感知该用户的存在，而空闲态仅MME可感知用户的存在。用户状态在一定条件下可以相互转移，如图3所示：

图3 用户状态转移

根据用户状态转移条件，为了减少无线资源浪费，可以通过检测用户状态，对长时间处于无业务传输的失步态用户进行释放处理，防止用户资源浪费。可行方案如图4所示：

图4 用户状态检测方案

当基站开工完成时，UMM设置两个周期定时器，分别为周期定时器1，时长设置为T1，通过统计该周期时间内用户上下行业务数据传输量，检测该用户状态为同步态或失步态。另一个为周期定时器2，时长设置为T2，用于判断失步态用户长时间内是否有业务传输。其中，T1＜T2，当设置T1=T2=0时，则表示关闭用户状态检测功能。

当周期定时器1超时后，UMM向MAC发送UE状态查询MSG_UE_STAUS_1_REQ，根据响应消息MSG_UE_STAUS_1_RSP中UE状态决定启动周期定时器1或者周期定时器2。

当周期定时器2超时后，UMM向MAC发送UE状态查询MSG_UE_STAUS_2_REQ，MAC收到请求后将UE状态通过响应消息MSG_UE_STAUS_2_RSP上报给UMM，同时向RRC发送状态指示。

RRC收到MAC层状态指示后，根据UE状态进行相应处理。

4 方案实现

4.1 用户一致性检测

小区无线网络临时标识C-RNTI（Cell-RadioNet workTemporaryIdentifier），是由基站分配给UE的一个动态标识，能够唯一标识一个小区空口下的UE。因此，可以通过核对各层保存的用户标识C-RNTI进行用户一致性检测，流程如图5所示。

基站上电启动建立小区后，UMM启动周期性定时器，将计数器N清零，定时器时长设置为X分钟。

当定时器第4N+1、4N+2、4N+3、4N+4次超时后，UMM依次对LX（PDCP/RLC/MAC/PHY）下发用户查询。LX收到请求后，遍历本地用户列表，将所有用户实例的C-RNTI和UE当前的流程状态通过用户信息查询响应消息上报给RRC。RRC收到响应后，转发给UMM，UMM进行用户一致性检测的处理流程。

将计数器N加1，进行下一轮的一致性检测流程。

用户一致性检测的处理流程如图6所示。

当UMM收到RRC响应后，读取LX上报的UE信息，判断该UE是否处于稳态，即UE流程状态是否为UE_PROC_IDLE，若是，则进行下一步，否则不处理。

遍历本地用户列表，若该UE的C-RNTI存在于列表，则不进行任何处理，否则表明该用户实例在UMM不存在而在LX层存在，则UMM需要向对应层下发用户信息删除消息MSG_UMM_UE_DEL_REQ，通知该层删除该用户实例。

当UMM收到LX删除响应MSG_UMM_UE_DEL_RSP后，读取本地UE信息，判断该UE是否处于稳态，若是，进行下一步，否则不处理。

遍历上报的用户列表，若该UE的C-RNTI存在于列表，则不进行任何处理，否则表明该用户实例存在于UMM而不存在于LX，则UMM需要删除该UE在本地的用户信息，并通过消息UMM_RRC_UE_REL向RRC发起完整的用户上下文释放流程，包括S1链路释放以及RRC连接释放。

4.2 用户状态检测

用户状态检测流程如图7所示，UMM启动周期定时器1，当定时器超时后，向MAC层下发用户状态查询，MAC收到请求后在调度流程中统计用户上下行传输的业务数据量，若数据量不为0，则将该用户状态置为同步态，否则置为失步态，将结果上报给UMM。

UMM收到MAC响应后，根据上报的状态进行相应处理。当用户为同步态时，启动周期定时器1。当用户状态为失步态时，启动周期定时器2。当定时器超时后，向MAC发送用户状态查询，MAC收到请求后统计该周期内用户上下行传输的业务数据量，若不为0，则将该用户置为同步态，将状态上报给UMM，否则将用户状态置为空闲态，向RRC发送状态指示。

RRC收到MAC层用户状态指示后，将对对应用户进行完整的用户释放流程。

5 实验结果

5.1 用户一致性检测实验验证

搭建测试环境，选择LTE宏基站设备3台，采用TM500模拟400UE接入基站，进行小流量业务测试（＜10 kbit/s）。在采用用户一致性检测方法前后，分别连续运行7×24小时，每24小时记录一次冗余UE数量（RRC/PDCP/RLC/MAC UE上下文不一致），当周期定时器X分别取20分钟和10分钟时，优化前后3台基站设备冗余用户数量检测结果分别如图8和图9所示。

图7 用户状态检测流程

图8 X=20一致性检测结果

图9 X=10一致性检测结果

对3台基站设备连续运行7×24小时冗余UE数量进行对比分析，发现采用一致性用户检测方法后，冗余UE数量有明显下降，进一步分析优化后冗余UE产生的原因，发现是由于检测定时器时间间隔所致，定时器时间越短，检测越快，冗余UE就不容易产生，但是时间越短，系统开销可能会增大，需要在性能和系统开销方面进行平衡。

5.2 用户状态检测实验验证

同运营商协调使用实验网，选择LTE宏基站设备3台，连接调测后台设备，在采用用户状态检测方法前后，分别连续运行24小时，每2小时记录一次连接态UE数量（RRC-CONNECTED状态），3台基站设备记录结果如图10所示。

对3台基站设备在优化前后分别连续运行24小时后的在线UE数量进行对比，发现采用用户状态检测方法后，在线UE数量有明显下降，说明采用用户状态检测方法可以有效降低系统负荷，提高无线资源使用效率，降低了相同用户群服务所需要的无线资源，大大提高了系统设备使用效率。

图10 用户状态检测结果

6 结束语

本文针对LTE基站系统中两种情况造成的冗余用户，即各协议层用户实例不一致和长时间无业务数据传输，所导致的用户资源浪费的问题，提出并实现了有效的解决方案，即通过周期性进行用户一致性检测和用户状态检测，释放冗余用户。经过优化前后的结果对比分析，验证了本方法能够有效提高系统用户资源利用率。本方案设计只针对协议栈模块，对其他存在用户实例的模块未进行处理，需要结合实践进一步优化检测方案，使之更加实用。